전기추진함정의 고전압직류배전(Medium Voltage Direct Current Distribution) 적용 필요성 > E-저널 2017년 ISSN 2465-809X(Online)

 

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제25호(07월) | 전기추진함정의 고전압직류배전(Medium Voltage Direct Current Distribution) 적용 필요성

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Written by 김소연(해군사관학교 전기공학 교수) 작성일17-07-31 15:06 조회4,941회 댓글0건

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전기추진함정의 고전압직류배전(Medium Voltage Direct Current Distribution) 적용 필요성

 

김소연(해군사관학교 전기공학교수)


Ⅰ. 서론
  
  2015년 12월 유엔기후변화회의에서 채택된 ‘파리협정’은 선진국·개발도상국 구분 없이 모든 국가가 기후변화 대응 노력에 참여하도록 한층 업그레이드된 기후 협정으로서 2016년 11월 국제법으로 공식 발효되었다. 미국 트럼프 정부가 파리협정 탈퇴를 공식 선언하여 불협화음을 내고 있기는 하지만, 기후변화 온실가스 및 대기오염물질 배출을 감축하기 위해 범세계적으로 뜻을 모으고 있는 것만은 자명하다.
  조선·해운업계에서도 2013년부터 온실가스 배출 규제를 시행하였는데, 유엔 산하의 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 매년 2회의 해양환경보호위원회(MEPC, Marine Environment Protection Committee)를 개최하여 해양환경 보존을 위한 강력한 규제들을 내놓고 있다. 이들은 항만이나 연안해역에 대한 규제 즉, 배출가스통제구역(ECA, Emission Control Area) 설정을 확대해 나가는 것은 물론, 청정항로를 유지하기 위해 항로를 운항하는 선박에 대해서도 배출가스에 대한 규제를 강화 및 시행을 가속화하고 있다[1].
  따라서 앞으로는 선박건조 시 친환경, 저탄소 기술이 필수적으로 동반되어야 하는데, 이미 자동차나 굴삭기 같은 타산업 분야에서는 연비분석을 통해 새로운 수요로 교체되고 있으며, 조선분야에서도 에너지 절감형 선형이나 LNG연료추진과 같이 친환경선박 관련 기술을 개발하여 기존 선박의 세대교체를 모색하고 있다. 선박에서 배출하는 온실가스 및 대기오염 물질의 대부분은 화석연료에 기인하므로, 가장 기본적인 친환경 기술은 연료유 소모량을 절감하고 시스템의 효율을 증대시키는 기술이라고 할 수 있다.
  이에 본 기고문에서는 선박 연비향상을 위해 적용될 수 있는 고전압직류배전체계(Medium Voltage Direct Current Distribution System)의 개념과 필요성, 그리고 기술동향에 대해 살펴보도록 한다. 고전압직류배전 기술은 이미 1990년 대 후반부터 미국의 최신 구축함인 줌왈트급 기본설계에 반영되어 온 개념이지만, 기술적 한계로 거의 상용화되지 못하다가 최근 DC 마이크로그리드 활성화와 함께 상용선박에서도 연비 및 효율향상을 위해 연구·적용되고 있는 전력계통 배전시스템이다.

 

Ⅱ 본론
 
  1. 통합전력시스템과 연비 문제: 교류배전(AC distribution)의 한계

    가. 선박 통합전력시스템(Integrated Power System)


  고효율, 친환경 선박하면 단연 전기추진선박을 떠올리게 된다. 그 이유는 전기추진선박의 전력계통 구조인 통합전력시스템 설계 유연성에 있다. 대용량 가변속(variable speed) 추진부하를 포함하고 있으므로 전력계통의 안정성을 유지하기 위해 고난이도의 설계 기술이 요구되지만, 전력공급의 신뢰성과 효율을 증대할 수 있는 설계 자유도 또한 크게 증대된 시스템이라고 할 수 있다. 따라서 점점 더 복잡해지고 있는 함정 통합전력계통을 잘 설계하려면 다음과 같은 여러 요건들을 만족하는지 반드시 검토해야 한다.
① 중복성(Redundancy): 사고 및 고장 시에도 연속적인 전력공급을 보장하며 중요부하의 성능 손실을 최소화
② 생존성(Survivability): 전투손상 부분 파급 최소화 및 신속하게 손상개소를 분리하고 재구성
③ 경제성(Economics): 설치 부피 및 중량을 비롯하여 초기 설치비용, 유지보수 비용, 연료비용을 고려한 제 비용 최소화
④ 전력부하 증가에 대한 여유(Electric Loads Growth Margin): 고출력 부하 수용 등 미래 전력부하 증가를 대비한 전력계통 확장의 유연성
⑤ 안전성(Safety): 고전압 전력계통에 대한 안전/보호 설비 요건 및 전투위협환경에 대한 특수성능(충격, 소음, 진동 등) 요건

 

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<그림-1> 함정 통합전력시스템(Integrated Power System) 개념도[2]

 

  <그림-1>은 함정 통합전력시스템 개념도이다. 여러 대의 발전기들을 설치하여 운용하므로(줌왈트급 구축함은 총 78MW의 발전기 설치), 전기추진시스템을 최대로 사용할 때를 제외하면 가용한 전력용량(power capacity)이 매우 커지게 된다. 이는 미래 함정에 탑재 예상되는 고출력 부하(레일건이나 전자기펄스 무기 등)를 수용할 수 있는 이점을 가진다. 또한 발전기 개별 용량은 주요 운항 조건에서 가능한 최적의 연비를 가지도록 선정할 수 있으므로 부하율을 관리할 수 있다는 이점도 가진다. 이 외에도 인버터로 구동되는 추진전동기는 우수한 속도-토크 제어성능으로 급격한 부하변동에도 수ms 내 빠르게 구동이 가능하고, 저속에서 수십 초에 달하는 가변피치프로펠러(CPP)의 피치 조정 없이 고정피치프로펠러(FPP)를 사용하여 속력을 유지할 수 있으며, 소음과 유지보수 측면에서도 유리하므로, 전기추진선박은 단연 고효율, 친환경선박이라고 할 수 있다.

  나. 고전압교류배전(MVAC distribution)의 한계
  한편, 아무리 전기추진선박을 최적으로 설계하여도 운용상의 연비(fuel efficiency) 저하 문제가 발생할 수 있다. 서론에서 언급한 것처럼, 연비 문제는 더 이상 상용선박에만 지워진 부담이 아니라 첨단 기술을 도입하는 해군 함정에서도 적극적으로 검토해야 하는 RFP(Requirement For Proposal) 사항이 되어야 한다. 일반적으로 선박 운항 중 연료 사용량을 절감하려면 엔진 적정 부하율(Load Factor)을 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. <그림-2>는 전기추진함정에서 사용하는 여러 용량의 디젤발전기(DG)와 가스터빈발전기(GTG) 연료소모율(SFC, Specific Fuel Consumption) 특성 곡선을 나타낸다. 부하율이 약 20% 이하로 떨어지면 연료소모량이 급격히 증가하므로 저부하 운전은 반드시 피해야 하는데, 함정규칙에서는 50% 이하의 발전기 저부하 운전에 대해 연속 4시간 이상 또는 일일 총 8시간 이상의 운전은 피하도록 규정하고 있다[3].

 

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 <그림-2> 교류발전기 연료소모율(SFC) 특성

 

  그러나 불행히도 운항 중 모든 조건에서 적정 부하율을 유지하도록 설계하기가 쉽지 않다. 그 이유는 <그림-3>에서 보는 바와 같이 함정 속력이 변화함에 따라 추진 소요동력은 거의 세제곱에 비례하여 증가하는데, 저속, 중속, 고속 구간에서 모두 적정 부하율이 되도록 발전기 용량을 선정하게 되면 발전기 수량이 과도하게 증가하여 설치 가능성이 거의 없다. 일반적으로 소형, 대형 발전기를 설치하게 되는데, All-electric-propulsion 전투함의 경우 불가피하게 저속에서 연비저하 문제가 발생하여 전기추진의 장점이 오히려 훼손되는 결과를 초래하기도 한다. 교류발전기의 선택은 큰 부피와 중량, 그리고 제한된 제품군으로 통합전력시스템 설계에서 주요 제한사항이 되고 있다.


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<그림-3> 함정 추진을 위한 소요마력 곡선 예  

 

  뿐만 아니라, 전기추진시스템이 대형화될수록 1kV 이상의 고전압교류 전원을 사용하여 배전하게 되는데, 함 내 상당부분 차지하는 TYPE-1(440V/115V, 60Hz) 부하전압을 만들기 위해 다수의 변압기(Ship Service Transformer)를 사용해야 한다. 변압기는 전기적 절연구조를 가지고 있어 전력품질을 개선하는 기능도 있지만, 시스템 부피와 무게를 가중키는 주요 원인이기도 하므로 가능한 최소화하여 사용하는 것이 좋다. 또한 교류배전에서 특정 전압/주파수를 가지는 부하를 운용하려면 각 부하마다 별도의 AC/DC/AC 전력변환기를 설치해야 하는데, 이러한 전력변환기가 교류배전계통에 연결되면 고조파 전류를 저감하기 위해 상당히 복잡한 필터나 변압기를 추가로 설치해야 하므로 무게, 부피, 비용의 증가를 초래한다. 미래에는 60Hz AC 부하보다 DC 부하나 400Hz 사용 부하가 더욱 증가될 것으로 예상됨에 따라 교류배전은 점차적으로 그 한계를 드러낼 것으로 예상된다.

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<그림-4> 고전압교류배전시스템 예(USN LHD-8, 하이브리드전기추진함)[4]

 

  <그림-4>는 4만 톤급 하이브리드 전기추진함정으로 전원공급의 신뢰성을 높이기 위해 이중전력공급체계를 가지는 고전압교류 구역배전(MVAC Zonal Distribution) 구조를 가진다. 이처럼 시스템이 대형화될수록 고전압교류배전을 하게 되면 배전반과 변압기, 전선의 사용량이 증가하여 통합전력시스템의 부피와 중량이 과도하게 증대될 뿐 아니라, 교류전원의 품질과 신뢰성, 효율도 더욱 더 높은 수준이 요구되므로 새로운 개념의 배전방식을 함정에 도입할 필요가 있다. 

 

  2. 연비향상을 위한 IPS 제안: 고전압직류(MVDC) 배전체


   가. 고전압직류배전 개념 및 장점


  <그림-5>는 미 해군에서 차세대 구축함을 대상으로 2000년 대 초반부터 연구되어 온 미래 통합전력시스템(Next Generation IPS) 기본구조이다. 동일한 구조는 아니지만, 줌왈트급 구축함에는 1kV의 직류구역배전을 실현하였는데 그 구조에 대해서는 다음 절에서 구체적으로 살펴보겠다. 개념적인 MVDC 시스템에서는 36MW 가스터빈발전기 두 대와 4MW 가스터빈발전기 두 대로 구성되며, 각 발전기는 AC/DC 정류기(Rectifier)를 통해 고전압 주 모선(main-bus)에 전원을 공급한다. 주 모선에는 고출력 레이더나 펄스부하가 DC/DC 컨버터를 통해 연결된다. 교류배전에서 추진전동기는 AC/DC/AC 전력변환이 필요하나, 직류배전에서는 DC/AC 인버터만 있으면 되므로 전력변환 단계가 축소될 수 있다. 각 구역배전에서는 AC 배전반(switchboard) 대신 DC/DC 컨버터를 통해 부하 사용전압으로 변환되는 개념이다.

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<그림-5> 함정 고전압직류배전(MVDC) 개념도[4]

 

  이러한 시스템의 장점은 발전기가 AC/DC 전력변환기를 통해 계통에 연결되므로, 발전기의 전압/주파수가 계통과 분리되는 효과가 있다. 따라서 발전기의 전압조정기능(Automatic Voltage Regulator)이 필요 없어 종래의 권선형 발전기 대신 표면 부착형 영구자석 발전기를 적용할 수 있다. 계자 권선형 발전기를 영구자석 발전기로 대체하면 발전기 효율을 3%이상 향상시키고, 발전기의 무게와 부피를 25% 이상 줄일 수 있어 전체 전력시스템을 획기적으로 경량화할 수 있다. 또한 발전기-엔진의 속도가 계통의 주파수와 분리되므로 가변속 엔진 운전이 가능해진다. 가변속 엔진 운전은 부하율이 변하더라도 연비가 감소되지 않도록 최적 연비 운전을 가능하게 하므로, <그림-6>에서 보는 바와 같이 결과적으로 시스템 연비를 대폭 개선할 수 있다.

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<그림-6> 엔진 가변속 운전에 따른 연료소모율 개선 효과[5]

 

  특히, AC 배전에서는 DC 입출력을 가지는 분산전원을 계통에 연결하려면 별도의 전력변환장치가 필요하며 이로 인한 손실이 발생할 수밖에 없다. DC 배전에서는 에너지저장장치(Energy Storage System)와 같은 분산전원(distributed sources)을 도입하기가 쉽다. 선박 ESS는 발전기 용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 사고 상황에서 Fail-safe 확보 및 Redundancy를 확보하는 데 보다 많은 여유를 제공하므로 발전기 운용율 및 연비 향상 효과를 가능하게 한다. <그림-7>은 실제 미 해군에서 개발하고 있는 에너지 저장 모듈(Energy Storage Module) 개념을 나타낸다. 교류배전 계통에 연결하기 위해서는 AC/DC 및 DC/DC 전력변환장치가 필요한데, 직류배전에서는 변환 단계를 축소할 수 있다. 

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<그림-7> 함정용 에너지 저장 모듈(ESM) 개발 개념[4]

 

  400Hz 특수부하 역시 AC 계통에서는 AC/DC/AC 전력변환이 필요한데, DC 배전이라면 추가의 전력변환장치를 제거할 수 있다. DC 전압을 만들기 위해서는 고주파 변압기를 이용한 DC/DC 전력변환장치가 사용되는데, 고주파 변압기는 상용전원 주파수(60Hz) 변압기와 달리 크기가 작고 소음이 적어 기존의 구역배전 방식 보다 훨씬 개선된 함 내 환경을 제공할 수 있다.
 요약하면, DC 배전을 사용하게 되면 전력변환 단계를 대폭 절감하여 운영 효율 향상 및 설비 간소화를 기대할 수 있다. 전력변환 단계에서의 손실 저감을 통해 방열 시스템의 크기도 감소하게 되므로 더 큰 경량화 효과가 있다. AC 배전에서 사용되던 변압기를 비롯하여 다수의 필터를 대폭 줄이는 효과 및 전력전송 효율의 상승효과를 동시에 가능하게 한다.

 

  3. MVDC 관련 기술동향


    가. 함정용 직류배전 기술동향


  고전압직류배전 개념은 미 해군의 줌왈트급(DDG-1000) 구축함을 통해 엿볼 수 있다. 군사보안 상 실제 시스템을 알 수는 없지만, 미 해군연구소(Office of Naval Research)는 ESRDC(Electric Ship Research and Development Consortium)라는 협력기관을 만들고, 기본적인 시스템 개념을 정립하여  미국 내 여러 대학 연구소들이 연구에 참여할 수 있도록 하였다. DDG-1000 구축함에 적용된 통합전력시스템 구조는 이들이 언급하는 차세대 통합전력시스템(NGIPS)에서 MVAC와 MVDC 개념을 현실적 기술 수준에 따라 절충한 시스템으로 보인다. 기본적인 구조는 <그림-8>과 같이 나타낼 수 있다. 발전시스템의 구성은 36MW 주발전기(Main Turbine Generator) 2대와 4MW 보조발전기(Auxiliary Turbine Generator) 2대이며, 4,160V의 AC 주 모선을 구성하였다. 500kW의 디젤엔진 비상발전기(EDG)를 별도 설치한 것으로 보인다. 전기추진시스템은 2대의 추진전동기모듈(Propulsion Motor Module)로 구성되는데, 20MW 유도전동기 2대를 직렬로 연결한 Tandem식 추진전동기로 축 당 34.6MW의 출력을 낸다. 배전시스템은 4개의 구역(zone)으로 구분되는 1,000V 직류배전을 적용하였다. 각 부하에 필요한 전력을 만들기 위해서 AC/DC 전력변환모듈(Power Conversion Module)과 DC/DC 전력변환모듈이 함 생존성을 높이기 위해 좌·우현 이중화되어 배치되어 있다. 이와 같이 전력변환장치를 기반으로 하는 직류구역배전시스템은 기존의 함 공급 변압기 및 스위치보드를 사용하는 교류배전에 비해 빠른 응답성과 사고상황에서 즉각 계통의 재구성이 가능하여, 전투 생존성 측면에서 훨씬 강화된 시스템 장점을 가진다.   

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(a) DDG-1000 통합전력시스템 구성

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(b) DDG-1000 직류구역배전체계 구성

<그림-8> DDG-1000 전력계통 개념[4]

 

  나. 상용선박용 직류배전 기술동향


  EU 및 일본 등에서는 오랜 기간 동안 선박 에너지 효율 향상을 위한 기술 개발을 추진 중이며, 선박 내 DC 마이크로그리드 시스템에 대한 개발이 활발히 진행 중이다. 2011년 5월에 출시한 ABB사의 Onboard DC Grid는 직류배전을 이용하여 연료소모 및 배기가스를 20%까지 줄일 수 있다고 밝혔고, 2012년 5,000톤에 달하는 다용도 유전 지원 및 건설 선박에 Onboard DC시스템을 적용하는 사업을 수주하였다. GE(General Electric)사는 2014년 영국해군과 직류배전 구조연구 협약을 체결하였고 자회사인 Converteam을 통하여 연구결과를 상용화하고 있다. 일본의 경우 최대의 해운선사인 NYK가 주도하고 있는 ‘Super Eco Ship 2030'이 가장 잘 알려진 프로젝트로서, 이 프로젝트는 현재 선박 대비 온실가스의 배출을 69%로 감축할 수 있는 8,000톤급 컨테이너선박의 개발을 목표로 하고 있다.

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<그림 - 9> 최초의 ABB Onboard DC Grid, 해양플랜트지원선(Dina Star) [6]

 

Ⅲ. 결론
 
  고전압직류배전을 이용한 통합전력시스템은 연료 경제성과 온실가스 규제에 대응하는 측면 이외에도 선박의 안정성과 부하 반응을 비롯한 선박 제어 및 운항 성능 향상 가능성을 포함하고 있다. 우리 해군에 고전압직류배전을 적용하게 되면 차세대 통합전력시스템으로 연비가 우수하고, 전력시스템 경량화가 가능하며, 미래 부하전력 소요를 충족할 수 있고, 함정 생존성 및 전력공급의 신뢰성을 극대화할 수 있다. 또한 국가적으로 추진하고 있는 차세대 마이크로그리드 전력시스템 개발에 있어 기폭제 역할을 할 것으로 기대되므로 적극적으로 추진할 것을 제안한다.


<참고문헌>

 

[1] 김문창, 친환경선박시대 드디어 서막이 오르다, 『Shipper's Journal』, 2013. 9.16, pp. 14-19.
[2] IEEE Std 1662, Recommended Practice for the Design and Application of Power Electronics in Electrical Power Systems, 2016, pp. 51, 2016.
[3] 한국선급, 『함정규칙 제4편 전기설비 제4장 특수전기계통 제1절 전기추진시스템』, 2012.
[4] 서울대학교 기초전력연구원, 『차기구축함에 적용 가능한 통합전력체계 최적화 구성방안 연구』, 2012.
[5] Sehwa Choe, Y.-K. Son, S.-K. Sul, "Control and Analysis of Engine Governor for Improved Stability of DC Microgrid Against Load Disturbance," IEEE JESTPE, pp. 1247-1258, Vol. 4, Num. 4, Dec. 2016.
[6]ABB[https://library.e.abb.com/public/b4f3f099e9d21360c1257a8a003beac2/ABB%20Generations_20%20Onboard%20DC%20grid.pdf]

 

 

 

 


 

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